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雙擺混沌互動模擬實驗

數學 · 雙擺混沌 · 高中

關於這個模擬實驗

單擺是會重複的:給它同樣的起始條件,你每次都會得到同樣的擺動。把第二根杆接在第一根的末端,同一條萬有引力定律卻造出了永不重複、也無法長期預測的運動。相差十分之一度放開的兩份拷貝,起初完全同步地跟着彼此;隨後它們之間的差距翻倍,再翻倍,而且節奏穩定——也就是説它按指數增長,而不是線性增長。大約十秒之內,兩個擺就在做完全不同的事情了。這裏沒有任何隨機的成分,也沒有做任何近似:方程是精確的,兩條軌跡分開的同時,每份拷貝的能量都保持穩定。失效的是預測,而且它失效的時間表可以直接從圖上讀出來。反過來,把兩個起始角度都設得很小,同一個擺就會規規矩矩,差距只是來回晃動,圖線也變平了——這裏的混沌是「你把它甩得多用力」的性質,而不是這套裝置本身的性質。學生可以改變上擺的起始角度及下襬的起始角度,並比較結果有何變化。可用於與高中一起進行數學探究,投影演示或讓學生各自使用裝置均可。

課程標準: Common Core CCSS.MATH.CONTENT.HSF.IF.B.4, CCSS.MATH.CONTENT.HSF.LE.A.1

學生可以探索什麼

  • 運行「大幅」起始,數一數過多少秒你才能把兩個擺區分開
  • 換成「輕柔」起始:差距不再增長,可見這個擺並不總是混沌的
  • 把初始差距除以十,看看這實際上多買來了幾秒鐘的可預測時間
  • 讀對數圖:那段直線就是指數增長,它的斜率就是差距翻倍的速率
  • 在兩條軌跡分開時盯住能量讀數——無法預測並不等於不守恆

學習目標

  1. 1預測改變上擺的起始角度會如何影響釋放瞬間上杆受到的推動,然後驗證這個預測。
  2. 2運用即時計算和視覺圖像提供的證據來解釋結果。

教師常問的問題

雙擺混沌模擬實驗是免費的嗎?

免費。用新版瀏覽器開啟雙擺混沌模擬實驗即可,無須下載,也無須註冊。

它適合高中嗎?

這個模擬實驗內置涵蓋高中的學習程度預設。選擇與你班別相符的程度,然後投影演示或讓學生在自己的裝置上使用。

嵌入這個模擬實驗

免費嵌入你的學習平台、網誌或班級網頁。

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繼續探索

由模型到紀錄

學生探索之後,用工作紙記錄他們的預測、觀察和解釋。

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